Техника бега в 3D: скорость

Сравните движения на модели и узнайте, что говорят исследования.

Что меняется при ускорении

Одни и те же бегуны на разных скоростях — и люди, которые на одной скорости шагают реже или чаще: смотрите, как меняются шаг, руки и ноги.

Одни и те же бегуны на дорожке от 8:20 /км до 3:20 /км: длина и частота шага, опора и полёт, углы суставов, мах рук и силы. Во вкладке «Каденс» — разный каденс при одной скорости (большой набор RIC).

Подробность

Основные выводы простыми словамиИзмерения, графики и методика

Скорость бега

Скорость бега5:33 /⁠км

Каденс у людей на такой скорости обычно 155–178 шагов в минуту: бегут и реже, и чаще

Кадр 3D-фигуры: Как меняется техника бега с ростом скорости

Загружаем 3D-модель…

Что видно на модели

Для сравнения: в большом наборе записей люди на дорожке в своём темпе бежали в среднем около 6:29 /⁠км.

5:33 /⁠км

Шаг уже 1,07 м — заметно длиннее, а шагов в минуту лишь чуть больше
Стопа стоит на земле меньше, полёт заметно длиннее
Колено, когда нога идёт вперёд, сгибается сильнее, бедро выносится выше

Можно ли бежать быстро с редким шагом

Да: в обычном беговом темпе на одной скорости одни люди шагают заметно реже, другие чаще, а скорость добирается длиной шага. Бывает, что медленный бегун шагает чаще быстрого: так примерно у каждого шестого медленного.

Редкий шаг при той же скорости — это длинный шаг: стопа встаёт дальше впереди таза, колено в опоре сгибается сильнее, таз выше подпрыгивает. Частый — наоборот.

Что это даёт: в опытах шаг чаще на той же скорости уменьшал работу колена за каждый шаг. За километр шагов больше: сила в самом суставе выходит почти та же, а работа колена и нагрузка под коленной чашечкой всё равно немного ниже. Как это сказывается на травмах, пока не проверяли.

Это не медицинская рекомендация. При боли обратитесь к врачу.

Данные и лицензии

Hamner & Delp 2013, © 2013 Stanford University, лицензия MIT. Hamner SR, Delp SL. J Biomech 2013;46:780–787, doi:10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Данные: Ferber R, Brett A, Fukuchi RK, Hettinga B, Osis ST. A biomechanical dataset of 1,798 healthy and injured subjects during treadmill walking and running. Scientific Data 2024;11:1232, doi:10.1038/s41597-024-04011-7; набор «Running Injury Clinic Kinematic Dataset», figshare doi:10.6084/m9.figshare.24255795 (CC BY 4.0). База фигуры 3.5 м/с: Fukuchi RK, Fukuchi CA, Duarte M. PeerJ 2017;5:e3298, doi:10.7717/peerj.3298 (CC BY 4.0). Обработка: DeloTela
Набор данных: SimTK, проект nmbl_running (https://simtk.org/projects/nmbl_running).
Голова: Riglet L. и соавт. 2024, Sci Data, doi:10.1038/s41597-024-03420-y; данные doi:10.6084/m9.figshare.25592865 (CC0). Обработка: DeloTela
Модель бегуна: MakeHuman / MPFB (CC0), одежда и обувь — DeloTela.
Тексты лицензий: CC BY 4.0, MIT, CC0.

Hamner & Delp 2013 (SimTK, nmbl_running) — лицензия MIT

https://simtk.org/projects/nmbl_running

Copyright (c) 2013, Stanford University

Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal in the Software without restriction, including without limitation the rights to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is furnished to do so, subject to the following conditions:

The above copyright notice and this permission notice shall be included in all copies or substantial portions of the Software.

THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM, OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE SOFTWARE.

CMU Graphics Lab Motion Capture Database

http://mocap.cs.cmu.edu/

Часть сверок положения кисти и локтя сделана по базе CMU (запись 09_01). The data used in this project was obtained from mocap.cs.cmu.edu. The database was created with funding from NSF EIA-0196217.

На чём основан гайд

Сравнение вариантов, методика и ссылки на исследования.

Сравнение всех вариантов

8:20 /⁠км

Шаг короткий — 0,75 м, около 160 шагов в минуту
Стопа дольше всего стоит на земле, полёт совсем короткий
Колено сгибается меньше всего, руки машут спокойно

5:33 /⁠км

Шаг уже 1,07 м — заметно длиннее, а шагов в минуту лишь чуть больше
Стопа стоит на земле меньше, полёт заметно длиннее
Колено, когда нога идёт вперёд, сгибается сильнее, бедро выносится выше

4:10 /⁠км

Шаг 1,35 м, около 178 шагов в минуту: длина по-прежнему растёт быстрее частоты
Руки машут шире, плечи и таз поворачиваются сильнее
Колено сгибается всё сильнее, а стопа стоит на земле всё меньше

3:20 /⁠км

Шаг 1,55 м — вдвое длиннее, чем на самой медленной скорости, а шагов в минуту больше лишь на пятую часть
Руки и плечи работают шире всего; по расчётам модели так руки уравновешивают более мощный мах ног
Колено сгибается сильнее всего, бедро выносится выше всего

Реже

Шаг длиннее — 1,31 м против 1,24 м у среднего бегуна на той же скорости
Стопа встаёт чуть дальше впереди таза, колено в опоре сгибается сильнее, таз выше подпрыгивает
В опытах, где шаг делали реже на той же скорости, суставы ног гасили больше энергии

Как обычно

Средний бегун на этой скорости: 169 шагов в минуту, шаг 1,24 м
На одной скорости одни люди шагают заметно реже, другие чаще — сдвиньте ползунок, чтобы сравнить

Чаще

Шаг короче — 1,17 м, зато шагов больше: 179 в минуту
Колено в опоре сгибается меньше, таз меньше ходит вверх-вниз
В опытах чуть более частый шаг снижал работу колена за шаг; за километр шагов больше, и разница меньше

Как считали

Данные: Hamner & Delp 2013 — опытные бегуны-мужчины на дорожке с силовыми платформами, 2, 3, 4 и 5 м/с; движение всего тела (OpenSim) и силы.
Касание и отрыв — по силе дорожки (порог 50 Н, как в «Приземлении»). Цикл начинается с касания правой; полосы на графиках — разброс между людьми (средняя половина), а не между шагами одного человека.
Силы авторы набора сгладили фильтром 15 Гц, ударный пик в них почти не виден (остался у одного бегуна). По ним сравниваем только главный пик, торможение и толчок.
Средняя кривая — в основном пяточники: по нашему подсчёту (ещё не перепроверен) 7 из 10 приземляются на пятку на всех скоростях, у троих на части скоростей середина стопы или носок; на 3 м/с носком приземлялся один. У пяточников угол стопы при касании со скоростью растёт, поэтому фигура на 5 м/с ставит пятку круче. Это не значит, что быстрее бегут сильнее на пятку: в других данных доля пяточников с ростом скорости падает.
Руки, повороты и наклоны в стороны усреднены по двум сторонам тела, левая сторона — правая со сдвигом на полшага.
Наклон корпуса на фигуре — 7,3° (средний наклон любителей) плюс изменение со скоростью у тех же людей; оно меньше градуса.
Стопа на 3D-фигуре довёрнута на 6,4° носком вверх, чтобы угол стопы при касании совпал с замером по маркерам. Ноль голеностопа и отсчёт бедра в модели этого набора другие, чем у данных «Приземления», поэтому абсолютные углы между вкладками не сравниваем. На графиках и в таблице — углы без поправок.
Только мужчины и только 10 человек: для женщин и новичков числа могут отличаться.
Каденс: набор RIC (Ferber 2024) — 1348 человек на дорожке в своей обуви и в своём темпе, сил нет. В полосе 2,4–3,0 м/с каденс сравнивали с ожидаемым для скорости и роста и делили людей на трети: редкий, средний и частый шаг. Без поправки на рост «редкий шаг» был бы в основном у высоких.
Фигура «Каденса» бежит на 3,5 м/с, как в «Приземлении»: средний — запись RBDS как есть, редкий и частый — к ней добавлена разница кривых групп RIC; цикл и опора пересчитаны по каденсу групп, размах таза — по их отношению. Это расчёт, а не запись одного человека.
Две вкладки — разные люди и разные наборы. На вкладке «Скорость» при 3,5 м/с счётчик даёт около 168–178 шаг/мин (между записями Hamner на 3 и 4 м/с), на вкладке «Каденс» «средний» — 169 (RBDS на 3,5 м/с). Руки у «Каденса» одни на всех режимах: меняется только темп, данных о руках по группам нет.
Группы RIC — разные люди с разной привычкой, а не эксперимент. Что даёт смена каденса — по опытам, где одни и те же люди шагали чаще или реже под метроном или после переобучения; направление в них совпадает с разницей групп.
Ползунок скорости между записанными скоростями смешивает две соседние записи, ползунок каденса — две соседние группы; такие кадры подписаны «между замерами» и «между группами» — это расчёт. Счётчики на сцене берутся из тех же смешанных времён цикла и опоры.
Каденс людей на разных скоростях (строка под ползунком) — все люди RIC по полосам скорости: от 10-го до 90-го процентиля. Быстрее 4,2 м/с записей нет, выше 3,3 м/с их мало.
Следы на полотне появляются при каждом касании и уезжают вместе с полотном: расстояние между соседними — путь полотна за один шаг, то есть длина шага.

Факты и источники

С ростом скорости на пятку приземляется меньше бегунов: на 3,2 м/с около 82 %, на 6,2 м/с — меньше половины. опыт в лаборатории
10.1249/mss.0000000000000267
При шаге чаще на 5–10 % на той же скорости колено в лаборатории гасило за шаг заметно меньше энергии. опыт в лаборатории
10.1249/mss.0b013e3181ebedf4
По расчётам модели, чем быстрее бег, тем сильнее руки гасят вращение: от 2 до 5 м/с вдвое. компьютерная модель
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Чем быстрее бег, тем сильнее поворот плеч и таза. опыт в лаборатории
10.3390/sports11100204
Голова почти неподвижна: кивает примерно на 3°, пока грудь под ней поворачивается на 30°. наш замер
10.6084/m9.figshare.25592865
Свой наклон туловища у любителей около 7°; с наклоном колену легче. опыт в лаборатории
10.2519/jospt.2014.5249
Переднестопники в этом наборе — в основном женщины. Бегут они медленно, но так бежит весь набор: это не свойство носка. наш замер
10.1038/s41597-024-04011-7
Из 10 бегунов другого опыта на 3 м/с обеими ногами носком приземлялся один, ещё у одного ноги на границе середины и носка. Силы первого добавлены к силам носка. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Данные: 10 опытных бегунов-мужчин на беговой дорожке, у каждого записаны 4 скорости — от 8:20 до 3:20 на километр. описание набора данных
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
От самой медленной скорости к самой быстрой шаг стал вдвое длиннее, а шагов в минуту — только на пятую часть больше. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Шагов в минуту с ростом скорости становится больше: примерно со 160 до 194. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Чем быстрее бег, тем меньше стопа стоит на земле: от трети секунды до одной пятой. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Время в полёте, когда обе ноги в воздухе, на быстром беге примерно вдвое дольше, чем на медленном. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Чем быстрее бег, тем сильнее сгибается колено, когда нога идёт вперёд по воздуху: с 86° до 127°. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Чем быстрее бег, тем выше бедро выносится вперёд и тем дальше нога уходит назад. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Чем быстрее бег, тем шире руки машут в плече; угол в локте почти не меняется. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Чем быстрее бег, тем сильнее поворачиваются за шаг плечи и таз. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Таз за шаг поднимается и опускается на 6–8 см; на самой быстрой скорости — меньше всего. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Главный толчок дорожки в стопу растёт со скоростью: примерно с 2 до 2,6 веса тела. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Торможение в начале шага и толчок вперёд в конце на быстром беге вдвое и больше сильнее, чем на медленном. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Силы в этом наборе авторы сгладили, поэтому короткий удар при касании в них не виден: сравниваем только главный пик, торможение и толчок. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
Наклон корпуса вперёд от скорости почти не меняется: меньше чем на градус. наш замер
10.1016/j.jbiomech.2012.11.024
На одной скорости люди шагают по-разному: треть с самым редким шагом делает около 157 шагов в минуту, треть с самым частым — около 175. Рост и скорость в группах одинаковые. наш замер
10.1038/s41597-024-04011-7
При той же скорости частый шаг — это короткий шаг: скорость равна числу шагов, умноженному на их длину. наш замер
10.1038/s41597-024-04011-7
У тех, кто шагает реже, стопа при касании стоит чуть дальше впереди таза — примерно на 2 см, и голень сильнее наклонена вперёд. наш замер, не проверено вторым критиком
10.1038/s41597-024-04011-7
У тех, кто шагает реже, колено в опоре сгибается сильнее: около 46° против 40° у тех, кто шагает чаще. наш замер, не проверено вторым критиком
10.1038/s41597-024-04011-7
Чем реже шаг при той же скорости, тем выше подпрыгивает таз: около 10 см против 8 см. наш замер
10.1038/s41597-024-04011-7
Частый шаг при той же скорости — это прежде всего более короткий полёт; на земле стопа стоит почти столько же. наш замер
10.1038/s41597-024-04011-7
Скорость мало говорит о частоте шагов: примерно каждый шестой медленный бегун шагает чаще типичного быстрого. Скорость добирается длиной шага. наш замер
10.1038/s41597-024-04011-7
Фигура бежит со скоростью 3,5 м/с. «Как обычно» — запись реальных бегунов, «реже» и «чаще» — к ней добавлена разница между группами людей с редким и частым шагом. Это расчёт, а не запись одного человека. наш замер
10.1038/s41597-024-04011-7
Опыт: когда те же люди шагали реже обычного на той же скорости, бедро, колено и голеностоп гасили больше энергии; при шаге чаще бедро гасило меньше. опыт в лаборатории
10.1249/mss.0b013e3181ebedf4
Опыт: при шаге чаще на 10 % тот же человек делает шаг короче, меньше подпрыгивает, а бежать ему по ощущениям чуть тяжелее. опыт в лаборатории
10.1249/mss.0b013e3181ebedf4
Компьютерная модель: при шаге на 10 % чаще нагрузка под коленной чашечкой за шаг ниже примерно на 14 %, на 10 % реже — выше на 15 %. На дистанцию разница меньше: шагов больше. компьютерная модель
10.1249/mss.0b013e3182a78c3a
Обзор десяти опытов: при более частом шаге на той же скорости меньше подпрыгивание, сила толчка о дорожку и энергия, которую гасят суставы; влияние на травмы в этих опытах не проверяли. обзор, не проверено вторым критиком
10.1177/1941738113508544
Опыт с переобучением: бегуны, которые научились шагать чаще на 7–9 %, снизили ударную нагрузку и работу колена; через месяц это сохранилось. рандомизированный опыт
10.1111/sms.12413
Опыт: при шаге чаще сила в коленном суставе за один шаг ниже, а за километр почти та же — шагов на тот же километр больше. рандомизированный опыт
10.1080/02640414.2015.1125517